基于GIS的陸良煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分空間變異特征

摘要：采用GPS定位技術(shù)，在陸良煙區(qū)采集土壤樣品340個(gè)，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)研究了區(qū)域植煙土壤主要養(yǎng)分的總體特征、空間變異特征和豐缺格局。結(jié)果表明，植煙土壤全氮、全磷和全鉀平均含量分別為1.44 g/kg、0.92 g/kg和11.57 g/kg，速效氮、速效磷和速效鉀平均含量分別為110.12 mg/kg、44.71 mg/kg和131.45 mg/kg。土壤養(yǎng)分的塊金效應(yīng)介于28.30%～48.41%，表現(xiàn)為中等的空間相關(guān)性，空間變異受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同影響。土壤全氮和速效氮含量中等，44.33%面積的土壤全氮含量過高，22.25%面積的土壤速效氮含量過高；土壤全磷含量較低，96.64%面積的土壤全磷含量缺乏，土壤速效磷豐富，48.07%面積的土壤速效磷含量過高；土壤全鉀含量極低，97.68%面積的土壤全鉀含量缺乏，速效鉀含量中等，14.44%面積的土壤速效鉀含量缺乏。

關(guān)鍵詞：植煙土壤；主要養(yǎng)分；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；空間變異；陸良

中圖分類號(hào)：S158；S572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）17-4406-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.013

Abstract： Based on GPS technique， 341 tobacco soil samples were collected in tobacco fields of Luliang， the general characteristics， spatial variability and supplying availability of main nutrients in soil were studied by methods of geostastics and classical stastics. The results indicated that， the average contents of soil total N， P were K are 1.44 g/kg， 0.92 g/kg and 11.57 g/kg， the average contents of soil available N， P and K were 110.12 mg/kg， 44.71 mg/kg and 131.45 mg/kg. The nugget-to-sill ratio of soil nutrients was in the range of 28.30%～48.41%， appearing the moderate spatial dependence， spatial variability of those main nutrients were affected by structural factors and random factors. The spatial distribution maps showed， that total N and available N were at moderate level， 44.33% area of the soil was extremely high of total N， and 22.25% area of the soil was extremely high of available N； Total P was widely deficient， and ‘lower level’ and ‘low level’ occupied 96.64% area of soil， and totally，available P was abundant， 48.07% area of the soil available P was too high； Total K was widely deficient，‘lower level’ and‘low level’ occupied 97.68% area of soil totally， and available K was moderate， 14.44% of the area was lack of available K.

Key words： tobacco soil； main nutrients； geo-statistics； spatial variability； Luliang

土壤是煙草礦質(zhì)養(yǎng)分的主要來(lái)源，是煙葉生產(chǎn)的基礎(chǔ)，植煙土壤養(yǎng)分狀況直接影響烤煙生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)狀況，進(jìn)而影響煙葉的產(chǎn)量、品質(zhì)和風(fēng)味[1，2]。近年來(lái)我國(guó)許多煙區(qū)就植煙土壤養(yǎng)分狀況分析、植煙土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)、養(yǎng)分分區(qū)管理以及烤煙測(cè)土配方施肥等方面開展了大量研究[3-8]。由于土壤養(yǎng)分具有高度的空間異質(zhì)性，其空間變異十分復(fù)雜，目前由當(dāng)?shù)責(zé)煵莨窘y(tǒng)一制定以鄉(xiāng)鎮(zhèn)甚至以縣區(qū)為單位的養(yǎng)分管理決策顯然不能滿足優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的需要。因此開展植煙土壤養(yǎng)分的空間變異和豐缺評(píng)價(jià)研究，對(duì)制定烤煙養(yǎng)分管理方案和改善煙葉質(zhì)量有重要意義。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學(xué)方法，可以很好地描述變量的空間變異結(jié)構(gòu)，借助GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)變量的空間分布可視化，近年來(lái)被大量用于土壤學(xué)的研究[9-11]。陸良煙區(qū)作為云南優(yōu)質(zhì)煙區(qū)之一，其煙葉質(zhì)量上乘，清香型風(fēng)格明顯，多個(gè)重點(diǎn)卷煙工業(yè)企業(yè)在該縣建有基地單元。研究該區(qū)植煙土壤養(yǎng)分空間變異和豐缺狀況對(duì)穩(wěn)定煙葉質(zhì)量及保障煙葉的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。鑒于此，本研究采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，借助GIS技術(shù)對(duì)陸良縣植煙土壤主要養(yǎng)分空間變異特征和豐缺狀況進(jìn)行了深入探討，旨在為煙區(qū)土壤養(yǎng)分精準(zhǔn)分區(qū)管理與施肥決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域自然概況

陸良縣位于云南省東部，素有“滇東糧倉(cāng)”之稱，居南盤江上游，北緯24°44′～25°18′，東經(jīng)103°23′～104°02′，東西長(zhǎng)65.6 km，南北寬62.8 km，總面積 2 096 km2，平均海拔1 840 m，其四面環(huán)山，中間開闊平坦的湖積盆地是云南省第一平壩，平壩面積772 km2；氣候溫和，春暖干旱，秋涼濕潤(rùn)，冬無(wú)嚴(yán)寒較干燥，夏無(wú)酷熱而多雨，年均氣溫14.7 ℃，年降雨量979.6 mm；土壤主要有紅壤、紫色土、石灰（巖）土和水稻土等。

1.2 樣品采集和分析

2010年3月，采用GPS技術(shù)對(duì)陸良基本煙田667 m2以上田塊進(jìn)行定點(diǎn)取樣，共取樣340個(gè)。取樣時(shí)用手持式GPS定位，記錄田塊中心的經(jīng)緯度和高程，采用五點(diǎn)取樣法或“W”形取樣法進(jìn)行取樣，每個(gè)田塊確保5點(diǎn)以上，取樣深度0～20 cm，用四分法取大約1 kg土樣帶回實(shí)驗(yàn)室。土樣登記編碼后風(fēng)干、研磨及過篩，然后測(cè)定土壤養(yǎng)分含量。土壤全氮含量采用開氏定氮法測(cè)定，土壤速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，土壤全磷和速效磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全鉀和速效鉀含量采用火焰光度法測(cè)定[12]。

1.3 土壤養(yǎng)分豐缺標(biāo)準(zhǔn)

在參考和借鑒《中國(guó)植煙土壤及煙草養(yǎng)分綜合管理》（陳江華等編著，2008）中的中國(guó)植煙土壤養(yǎng)分豐缺指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合曲靖市植煙土壤養(yǎng)分調(diào)查和曲靖烤煙生產(chǎn)中近幾年的大量田間試驗(yàn)結(jié)果，將曲靖市植煙土壤主要養(yǎng)分等級(jí)分為很低、低、中等、高、很高5個(gè)等級(jí)（表1）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

描述性統(tǒng)計(jì)和K-S檢驗(yàn)（Kolmogorov-Smimov test）利用SPSS17.0 軟件完成[13]。試驗(yàn)半方差函數(shù)的計(jì)算和理論模型擬合在GS+9.0中完成[14]，Kriging插值和繪圖采用ArcGIS 9.3軟件實(shí)現(xiàn)[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分特征

陸良煙區(qū)土壤主要養(yǎng)分特征見表2。K-S檢驗(yàn)表明，6種養(yǎng)分指標(biāo)服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布；6種養(yǎng)分的變異系數(shù)在0.32～0.55之間，表現(xiàn)為中等變異性，其中以速效氮變異最小，速效磷變異最大。依據(jù)曲靖煙區(qū)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表1），土壤全氮和速效氮含量屬于中等水平，均值分別為1.44 g/kg和110.12 mg/kg；土壤全磷屬較低水平，速效磷屬很高水平，平均值分別為0.92 g/kg和44.71 mg/kg；土壤全鉀屬于很低水平，速效鉀屬中等水平，平均值分別為11.57 g/kg和131.45 mg/kg。

2.2 半方差函數(shù)結(jié)構(gòu)

半方差函數(shù)用于描述區(qū)域化變量的空間變異，可以反映不同距離觀測(cè)值之間的變化，被證明是定量研究在空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性的變量的有力工具[16，17]。半方差函數(shù)模型擬合的好壞決定了空間結(jié)構(gòu)分析的可靠性，進(jìn)而直接決定了空間插值精度[18]。因此分別用不同模型對(duì)區(qū)域土壤主要養(yǎng)分進(jìn)行擬合，通過對(duì)不同模型的決定系數(shù)和殘差平方和的比較，獲得了各指標(biāo)的最優(yōu)半方差函數(shù)模型及其相關(guān)參數(shù)（表3），并繪制了半方差擬合圖（圖1）。由表3和圖1可知，各指標(biāo)在變程范圍內(nèi)的點(diǎn)與理論模型曲線十分接近，且決定系數(shù)R2在0.812～0.970之間，表明選取的模型具有很高的擬合精度，能夠很好地反映土壤養(yǎng)分的空間結(jié)構(gòu)特征。C0為塊金值，是滯后距離為0時(shí)的半方差，是由隨機(jī)因素引起變異，較大的塊金值表明較小取樣尺度上的一些過程不容忽視；C為偏基臺(tái)值，也叫結(jié)構(gòu)方差，是由結(jié)構(gòu)性因素引起的變異；（C0+C）為基臺(tái)值，是半方差隨滯后距離遞增到一定程度后出現(xiàn)的平穩(wěn)值，表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異；塊金值與基臺(tái)值之比C0/（C0+C）為塊金效應(yīng)，可以用于度量系統(tǒng)變量的空間相關(guān)性程度，以及結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素對(duì)空間變異的影響大小[19]，當(dāng)比值<25%，說(shuō)明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，且空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因子影響；比值在25%～75%，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性，空間變異同時(shí)受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的影響；比值>75%說(shuō)明系統(tǒng)空間相關(guān)性很弱，且空間變異主要受隨機(jī)性因子影響[8]。本研究中，土壤養(yǎng)分指標(biāo)的塊金效應(yīng)均在25%～75%，表明研究區(qū)域土壤養(yǎng)分具有中等的空間相關(guān)性，其空間變異是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。變程表示隨機(jī)變量在空間上的自相關(guān)性尺度[14]，也稱為空間最大相關(guān)距離，反映了變量空間自相關(guān)距離的大小，揭示了結(jié)構(gòu)性因素控制系統(tǒng)變量空間異質(zhì)性距離的遠(yuǎn)近，在變程范圍內(nèi)，變量間存在空間相關(guān)性，超過變程范圍，則認(rèn)為變量是相互獨(dú)立的[20]。在本研究中，主要養(yǎng)分的變程僅為0.03～0.26 km，表明其空間自相關(guān)范圍較小。

2.3 空間豐缺格局

根據(jù)所得的半方差函數(shù)模型，利用普通Kriging最優(yōu)內(nèi)插法，繪制了陸良植煙土壤主要養(yǎng)分空間分布圖（圖2～4）。并利用ArcGIS軟件的統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)空間分布圖進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，得到植煙土壤養(yǎng)分等級(jí)面積比例。

2.3.1 土壤氮素含量的空間分布 植煙土壤養(yǎng)分空間差異性顯著，不同養(yǎng)分含量等級(jí)區(qū)域分異十分明顯，整體呈東西向變化，大致呈現(xiàn)由西北到東南逐漸降低的趨勢(shì)。植煙土壤全氮含量空間分布呈現(xiàn)東高西低的規(guī)律，全氮含量介于1.0～2.0 g/kg，其中含量為1.0～1.5 g/kg，即“中等”的植煙面積占51.77%，主要分布在中西部，覆蓋小百戶鎮(zhèn)、大莫古鎮(zhèn)、中樞鎮(zhèn)、三岔河鎮(zhèn)和馬街鎮(zhèn)的大部分區(qū)域；含量為1.5～2.0 g/kg，即“高”的植煙面積占44.33%，主要分布在東部、南部和北部，覆蓋芳華鎮(zhèn)、板橋鎮(zhèn)、活水鄉(xiāng)、龍海鄉(xiāng)和召夸鎮(zhèn)的大部分區(qū)域；含量<1.0 g/kg和>2.0 g/kg的植煙面積零星分布。土壤速效氮的空間分布格局與全氮含量相似，含量“中等”（60～120 mg/kg）的植煙面積占77.75%，幾乎覆蓋了除活水鄉(xiāng)和龍海鄉(xiāng)外的其他各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；含量“高”（120～150 mg/kg）的植煙面積占22.25%，覆蓋活水鄉(xiāng)和龍海鄉(xiāng)的大部分區(qū)域?？偟膩?lái)說(shuō)，陸良煙區(qū)大部分面積的土壤全氮含量中等偏上，大部分面積（77.75%）的土壤速效氮含量處于適宜范圍，氮素水平基本適宜烤煙生產(chǎn)，但部分高氮區(qū)域應(yīng)適當(dāng)控制氮肥用量。

2.3.2 土壤磷素含量的空間分布 植煙土壤全磷含量空間分布大體呈現(xiàn)東高西低的趨勢(shì)，全磷含量介于0.8～1.2 g/kg，即“低”的植煙面積占69.56%，覆蓋除小百戶鎮(zhèn)、大莫古鎮(zhèn)和馬街鎮(zhèn)以外各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大部分區(qū)域；含量<0.8 g/kg即“很低”的植煙面積占27.09%，主要分布小百戶鎮(zhèn)、大莫古鎮(zhèn)和馬街鎮(zhèn)。植煙土壤速效磷含量空間分布大致呈西北和東南高、中間低的趨勢(shì)，其中>40 mg/kg即“很高”的植煙面積占48.07%，主要分布在小百戶鎮(zhèn)、召夸鎮(zhèn)和芳華鎮(zhèn)的大部分區(qū)域；含量為30～40 mg/kg即“高”的植煙面積占43.04%，覆蓋活水鄉(xiāng)、板橋鎮(zhèn)、三岔河鎮(zhèn)和馬街鎮(zhèn)的大部分區(qū)域；含量為20～30 mg/kg的植煙面積占8.88%，主要分布在大莫古鎮(zhèn)?？偟膩?lái)說(shuō)，陸良煙區(qū)大部分面積的全磷含量較低，土壤速效磷較高，速效磷水平可以滿足烤煙生產(chǎn)，應(yīng)適當(dāng)控制磷肥用量。

2.3.3 土壤鉀素含量的空間分布 陸良植煙土壤全鉀含量空間分布規(guī)律不明顯，斑塊分布較為簡(jiǎn)單。全鉀含量<12 g/kg即“很低”的植煙面積占48.86%，在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布；含量為12～18 g/kg即“低”的植煙面積占48.82%，覆蓋芳華鎮(zhèn)、板橋鎮(zhèn)和三岔河鎮(zhèn)的大部分區(qū)域。陸良植煙土壤速效鉀含量空間分布規(guī)律不明顯，呈斑塊狀穿插分布。速效鉀含量“中等”（100～150 mg/kg）的植煙面積占58.59%，在各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布；含量“高”（150～200 mg/kg）、“低”（50～100 mg/kg）和“很高”（>200 mg/kg）的植煙面積分別占19.21%、14.44%和7.77%。綜上，陸良煙區(qū)大部分面積（97.68%）的土壤缺乏全鉀，大部分面積（85.56%）的土壤速效鉀在中等或中等以上?？傊傩р浰交究梢詽M足烤煙生產(chǎn)，對(duì)部分區(qū)域可以適當(dāng)增施鉀肥。

3 小結(jié)與討論

陸良植煙土壤全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀含量均值分別為1.44 g/kg、110.12 mg/kg、0.92 g/kg、44.71 mg/kg、11.57 g/kg和131.45 mg/kg，其中全氮、速效氮和速效鉀屬于“中等”水平，全磷和全鉀屬于“很低”水平，速效磷屬于“很高”水平，各指標(biāo)均表現(xiàn)為中等程度的變異。陸良植煙土壤主要養(yǎng)分塊金效應(yīng)均在25%～75%，說(shuō)明具有中等的空間相關(guān)性，且空間變異是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)因素共同作用的結(jié)果。從空間分布圖來(lái)看，陸良煙區(qū)44.33%面積的土壤全氮過高，22.25%面積的土壤速效氮過高，針對(duì)這部分植煙區(qū)域應(yīng)減少氮肥用量；陸良煙區(qū)土壤全磷缺乏，但速效磷十分豐富，速效磷水平可以滿足烤煙生產(chǎn)，針對(duì)部分速效磷含量>40 mg/kg的區(qū)域可以適當(dāng)減少磷肥用量。陸良煙區(qū)土壤全鉀缺乏，速效鉀中等，14.44%面積的土壤速效鉀缺乏（<100 mg/kg），58.59%面積的土壤速效鉀中等（100～150 mg/kg），對(duì)于這兩類區(qū)域需進(jìn)行分區(qū)管理，增加鉀肥投入。

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